DE4302057C2 - Process for digitizing a band-limited analog signal and analog-digital processing unit - Google Patents
Process for digitizing a band-limited analog signal and analog-digital processing unitInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Digitalisierung eines bandbegrenzten analogen Signals sowie eine Analog-Digital-Ver arbeitungseinheit.The invention relates to a method for digitizing a band-limited analog signal and an analog-digital ver unit of work.
Aus der US-PS 4 625 240 sind ein Verfahren und eine Vorrich tung bekannt, um komprimierte Audiosignale zu verarbeiten, und zwar durch adaptive Steuerung der Verstärkung der Vorrichtung. Dabei wird ein zeitlicher Mittelwert von Digitalsignalen mit einem Referenzwert verglichen, um ein Verstärkungssteuerungs signal zu erzeugen. Ein Eingangsvideosignal mit variabler Am plitude wird automatisch für einen festen Analog-Digital-Wand lerbereich angepaßt.A method and a device are known from US Pat. No. 4,625,240 device known to process compressed audio signals, and by adaptive control of the gain of the device. A temporal mean of digital signals is also included compared to a reference value to gain control generate signal. An input video signal with a variable Am plitude is automatically created for a fixed analog-digital wall adapted to the learning area.
In der EP-A-492 578 ist ein Verfahren zur digitalen Filterung von digitalen Signalen angegeben, wobei die Digitalsignale mit den Filterkoeffizienten in zugeordneten Speichereinheiten mul tipliziert werden und durch Adressierung aller Speichereinhei ten mit einem anfallenden Digitalsignal und durch zeitverscho benes Aufschalten der Werte auf eine Summationseinheit gefil tert werden.EP-A-492 578 describes a method for digital filtering indicated by digital signals, the digital signals with the filter coefficients in assigned storage units mul be duplicated and by addressing all memory units with a digital signal and time delay filing the values to a summation unit be tert.
Die Erfindung ist insbesondere auf die Verarbeitung analoger Sprachsignale gerichtet, beispielsweise für digital arbeitende Hörhilfen, und hat das Ziel, ein Verfahren zur Digitalisierung eines bandbegrenzten analogen Signals bzw. einer Analog- Digital-Verarbeitungseinheit anzugeben, bei denen ein Analog- Digital-Quantisierer mit reduzierter Quantisierungsstufenzahl einsetzbar ist, wobei die Dynamik, bei Sprachsignalen von un gefähr 80 dB, des Analogsignals im wesentlichen beibehalten wird und wobei trotz der wenigen Quantisierungsstufen der Quantisierungsfehler, bezogen auf das Nutzsignal, klein bleibt.The invention is more analogous in particular to processing Speech signals directed, for example for digitally working Hearing aids, and has the goal of a process for digitization a band-limited analog signal or an analog Specify digital processing unit in which an analog Digital quantizer with a reduced number of quantization stages can be used, the dynamics of speech signals from un approximately 80 dB, the analog signal essentially retained is and despite the few quantization levels the Quantization error, based on the useful signal, small remains.
Durch die Möglichkeit, beim Quantisierer die Quantisierungs stufenzahl zu reduzieren, läßt sich eine maßgebliche Reduktion der notwendigen, zu installierenden Leistungen erzielen.Due to the possibility of quantizing the quantizer To reduce the number of stages can be a significant reduction achieve the necessary services to be installed.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, ein Verfahren zur Digitalisierung des bandbegrenzten analogen Signals mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. eine Analog-Digital-Verarbei tungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 8 anzugeben. Vor teilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und der Verarbei tungseinheit gemäß der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The solution according to the invention consists in a method for Digitization of the band-limited analog signal with the Features of claim 1 and an analog-digital processing specify unit with the features of claim 8. Before partial further training of the procedure and the processing tion unit according to the invention are in the subclaims specified.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegen den Figuren der Zeichnungen erläutert.The invention is described below based on the description of Embodiments and with reference to the accompanying the figures of the drawings explained.
Aus dieser Beschreibung gehen auch weitere Vorteile der vor liegenden Erfindung unter ihren verschiedenen Aspekten hervor.This description also gives rise to other advantages of the lie invention in its various aspects.
Es zeigenShow it
Fig. 1 ein vereinfachtes Funktionsblock-Signalfluß-Diagramm einer erfindungsgemäßen Analog-Digital-Verarbei tungseinheit; Fig. 1 is a simplified functional block signal flow diagram of an analog-digital processing unit according to the invention;
Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsvariante der Verstär kungsregelrückführung, wie sie in der Verarbeitungs einheit gemäß Fig. 1 eingesetzt wird; Fig. 2 shows a preferred embodiment of the reinforcement control feedback, as used in the processing unit of FIG. 1;
Fig. 3a eine erste Ausführungsvariante der anhand von Fig. 1 und 2 prinzipiell dargestellten Analog-Digital-Verarbeitungseinheit anhand eines vereinfachten Funkti onsblock-Signalfluß-Diagrammes; Fig. 3a shows a first embodiment of the analog-digital processing unit shown in principle with reference to Figures 1 and 2 using a simplified func onsblock signal flow diagram.
Fig. 3b eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante einer bei der Verarbeitungseinheit gemäß Fig. 1 wie auch gemäß Fig. 3a vorgesehenen Speicher- und Skalie rungseinheit in schematischer Form anhand eines Funktionsblocks; Figure 3b is a further preferred embodiment of the processing unit according to Fig 1 as well as Figures 3a provided for storage and Skalie approximation unit in schematic form with reference to a functional block...;
Fig. 4 eine bevorzugte Ausführungsvariante einer Speicher- und Skalierungseinheit für die Analog-Digital-Verar beitungseinheit gemäß den Fig. 1 und 2 anhand eines vereinfachten Funktionsblock-Signalfluß-Diagrammes; Fig. 4 shows a preferred embodiment of a storage and conversion unit for analog-to-digital proces beitungseinheit according to Figs 1 and 2 using a simplified functional block signal flow diagram.
Fig. 5 eine vereinfachte Darstellung des Speicherinhaltes einer Speichereinrichtung bei der wie in Fig. 4 dar gestellt ausgebildeten Einheit und der Funktions weise einer ihr nachgeschalteten, schieberegister artig wirkenden Einheit; Fig. 5 is a simplified representation of the memory content of a memory device in the unit as shown in Fig. 4 and the function as a downstream, shift register-like unit;
Fig. 6 eine Quantisierer-Kennlinie eines bevorzugterweise bei der erfindungsgemäßen Analog-Digital-Verarbei tungseinheit eingesetzten Quantisierers; Fig. 6 shows a quantizer characteristic of a quantizer processing unit preferably used in the inventive analog-to-digital proces;
Fig. 7 eine bevorzugte Ausführungsform der schieberegister artig wirkenden Einheit gemäß Fig. 4 und 5; FIG. 7 shows a preferred embodiment of the shift register like action unit according to Figures 4 and 5.
Fig. 8 eine Digital-Filteranordnung in Form eines verein fachten Funktionsblock-Signalfluß-Diagrammes; und Fig. 8 shows a digital filter arrangement in the form of a simplified functional block signal flow diagram; and
Fig. 9 anhand eines vereinfachten Funktionsblock-Signal fluß-Diagrammes eine weitere Ausführungsform der Analog-Digital-Verarbeitungseinheit, insbesondere für den Einsatz bei Audiosignalen, insbesondere bei Sprachsignalen, wobei das Digitalfilter nach Fig. 8 der Einheit gemäß Fig. 5 nachgeschaltet ist. Fig. 9 based on a simplified functional block signal flow diagram, a further embodiment of the analog-digital processing unit, in particular for use with audio signals, in particular with voice signals, the digital filter according to FIG. 8 being connected downstream of the unit according to FIG. 5.
In Fig. 1 ist ein Signalfluß/Funktionsblock-Diagramm einer Ausführungsform der Analog-Digital-Verarbeitungseinheit dar gestellt.In Fig. 1, a signal flow / functional block diagram of an embodiment of the analog-digital processing unit is provided.
Das Analogsignal 1 wird einer Verstärkereinheit 3 zugeführt, deren Verstärkung G in Stufen gesteuert einstellbar ist. Das verstärkte Ausgangssignal der Verstärkereinheit 3 wird einem Analog-Digital-Quantisierer 5 zugeführt, dessen digitales Aus gangssignal A5 einerseits an eine Speicher- und Skalierungs einheit 7 geführt, andererseits auf eine Speichereinrichtung 9 für Verstärkungssteuerdaten, z. B. in Form des Wortes GCW, rückgeführt ist.The analog signal 1 is fed to an amplifier unit 3 , the gain G of which can be set in stages in a controlled manner. The amplified output signal of the amplifier unit 3 is fed to an analog-digital quantizer 5 , the digital output signal A 5 of which leads on the one hand to a storage and scaling unit 7 , and on the other hand to a storage device 9 for gain control data, for. B. in the form of the word GCW.
Grundsätzlich werden die digitalen Ausgangssignale A5 des Quantisierers 5 als IST-Wert auf die Speichereinrichtung 9 rückgeführt, wobei die Speicherdaten für die Verstärkung G der Verstärkereinheit 3 andauernd so verstellt werden, dass die Ausgangswerte A5 des Quan tisierers 5, genauer: ihr mittlerer Absolutwert, ei nem vorgebbaren SOLL-Wert entspricht, womit der be grenzte Wertebereich des Quantisierers 5 optimal aus genützt wird. Dies ist in Fig. 1 mit der die Regel differenz Δ bildenden Differenzbildungseinheit 10 schematisch dargestellt. Die Verstärkungswerte G und deren Verstellungswerte ΔG sind vorzugsweise in dB gerechnet.Basically, the digital output signals A 5 of the quantizer 5 are fed back to the memory device 9 as the actual value, the memory data for the gain G of the amplifier unit 3 being continuously adjusted such that the output values A 5 of the quantizer 5 , more precisely: their mean absolute value corresponds to a specifiable target value, with which the limited range of values of the quantizer 5 is optimally used. This is shown schematically in FIG. 1 with the difference forming unit 10 forming the rule difference Δ. The gain values G and their adjustment values ΔG are preferably calculated in dB.
In der Speicher- und Skalierungseinheit 7 sind alle möglichen Werte des Ausgangssignals A5 vorabgespei chert, und sie sind auch, mit je allen möglichen Wer ten der inversen Verstärkung G, d. h. G-1 skaliert, vorbestimmt. Kann mithin das Ausgangssignal A5 die Anzahl na unterschiedlicher Werte annehmen und die Verstärkung G die Anzahl ng, so sind in der Speicher- und Skalierungseinheit die Anzahl na . ng Werte vor bestimmt, dabei mindestens teilweise vorabgespei chert, wie dies durch die Eingabe P dargestellt ist. Am Eingang E71 der Speicher- und Skalierungseinheit 7 liegen die Ausgangssignale A5 des Quantisierers 5 als Adresse an und ebenso an E752 das GCW. Entsprechend dem momentanen Wert des Signals A5 wird an der Ein heit 7 der zugehörige, mit der momentanen inversen Verstärkung G-1 skalierte Datensatz adressiert. Aus gangsseitig A7 der Speicher- und Skalierungseinheit 7 erscheint somit der Zahlenwert des (unverstärkten bzw. unabgeschwächten) Analogsignals 1.In the storage and scaling unit 7 , all possible values of the output signal A 5 are stored in advance, and they are also predetermined, with all possible values of the inverse gain G, ie G -1 scaled. If the output signal A 5 can therefore assume the number n a of different values and the amplification G the number n g , then the number n a is in the storage and scaling unit. n g values predefined, at least partially stored in advance, as represented by the input P. The output signals A 5 of the quantizer 5 are present as an address at the input E 71 of the storage and scaling unit 7 , and the GCW is also present at E 752 . Corresponding to the current value of the signal A 5 , the associated data set, scaled with the current inverse gain G -1 , is addressed at the unit 7 . From the output side A 7 of the storage and scaling unit 7 , the numerical value of the (unamplified or unattenuated) analog signal 1 appears .
Dank der eingangsseitigen Verstärkung, vor der Digi talisierung, und der ausgangsseitigen, nach der Digitalisierung erfolgenden Verstärkungskompensation wird mit einem Quantisierer 5 mit wenigen Quantisierungs stufen die volle Dynamik des Analogsignals in den Zahlenbereich abgebildet.Thanks to the input side reinforcement, prior to Digi capitalization, and the output side, taking place after the digitization gain compensation is a quantizer 5 with few quantization step the full dynamic range of the analog signal in the range of numbers displayed.
Aufgrund der Einregelung des mittleren Absolutwertes des Ausgangssignals A5 des Quantisierers 5 auf einen vorgegebenen SOLL-Wert wird weiter die zur Verfügung stehende Dynamik des Quantisierers voll ausgenützt und damit der Quantisierungsfehler im Rahmen der vor gegebenen Anzahl Quantisierungsstufen minimiert, un abhängig vom eintreffenden Analogsignalpegel und den andauernden Pegelschwankungen. Die Möglichkeit des Einsatzes eines Quantisierers mit relativ wenigen Stufen und trotzdem einer Analog-Digital-Wandlung über die ganze Analogsignaldynamik mit stets genügend kleinem relativem Quantisierungsfehler ergibt wesent liche Vorteile, wenn man bedenkt, dass der Quantisie rer hinsichtlich Leistungsaufnahme, nebst Anti-Alia sing-Filter, den kritischen Schaltungsteil bei einer Analog/Digitalwandlung darstellt.Due to the adjustment of the mean absolute value of the output signal A 5 of the quantizer 5 to a predetermined setpoint value, the available dynamics of the quantizer are fully utilized and thus the quantization error is minimized within the given number of quantization stages, regardless of the incoming analog signal level and persistent level fluctuations. The possibility of using a quantizer with relatively few stages and still an analog-digital conversion over the entire analog signal dynamics with always a sufficiently small relative quantization error results in significant advantages if one considers that the quantizer with regard to power consumption, along with anti-alia Filter, the critical circuit part in an analog / digital conversion.
In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsvariante der Rückführung des Ausgangssignals A5 des Quantisierers 5 auf die Verstärkung G der Verstärkereinheit 3 von Fig. 1 dargestellt. FIG. 2 shows a preferred embodiment variant of the feedback of the output signal A 5 of the quantizer 5 to the gain G of the amplifier unit 3 from FIG. 1.
In einer Speichereinrichtung 10a sind in Funktion der absoluten Signalwerte, ausgangsseitig des Quantisie rers 5, Verstärkungsänderungsgrössen ΔG beider Pola ritäten abgespeichert. Durch Festsetzung, bei welchem Absolutwert des Ausgangssignals A5 die Verstärkungs änderungen ΔG das Vorzeichen wechseln, entsprechend dem im Block 10a eingetragenen Wert A5S, wird der einzuregelnde SOLL-Wert des mittleren Absolutwertes des Ausgangssignals A5 des Quantisierers 5 vorgege ben. Bei 13 ist der Absolutwertbildner für das Signal A5 dargestellt. Die in Funktion des Signals A5 aus dem Tabellenspeicher 10a ausgegebenen Verstärkungsän derungen ±ΔG werden der Speichereinrichtung 9 mit den Verstärkungssteuerdaten, entsprechend dem Verstär kungssteuerwort GCW, zugeführt, welches, entspre chend, die Verstärkung G erhöht bzw. reduziert.In a memory device 10 a, amplification change variables ΔG of both polarities are stored as a function of the absolute signal values on the output side of the quantizer 5 . By determining at which absolute value of the output signal A 5 the gain changes ΔG change the sign, corresponding to the value A 5S entered in block 10 a, the TARGET value to be regulated of the mean absolute value of the output signal A 5 of the quantizer 5 is predetermined. At 13 , the absolute value generator for the signal A 5 is shown. The amplification changes output in function of the signal A 5 from the table memory 10a ± ΔG are supplied to the memory device 9 with the gain control data, corresponding to the gain control word GCW, which increases or reduces the gain G accordingly.
In Fig. 3a ist, ausgehend von den Fig. 1 und 2, eine mögliche Ausführungsvariante der Speicher- und Ska lierungseinheit 7 von Fig. 1 dargestellt. Es sind die bereits anhand von Fig. 1 und 2 verwendeten Posi tionsziffern für gleiche Funktionen bzw. Funktions blöcke etc. verwendet.In Fig. 3a, starting from Figs. 1 and 2, a possible embodiment of the storage and scaling unit 7 of Fig. 1 is shown. The position digits already used with reference to FIGS . 1 and 2 are used for the same functions or function blocks etc.
Die Verstärkung G an der Verstärkereinheit 3 ist, in Stufen Go . . ., Gn, durch die Steuerdaten in der Spei chereinrichtung 9 verstellbar. Entsprechend der An zahl möglicher Verstärkungen ng = n + 1 sind eine An zahl (n + 1) Speicherabschnitte 11 0, 11 1 . ., 11n vorge sehen. In allen Speicherabschnitten 11 mit 0 ≦ x ≦ n sind je alle möglichen Werte des Ausgangssignals A5, wie bei P dargestellt, vorabgespeichert, jedoch in jedem Abschnitt 11 x mit dem inversen Wert der zugehö rigen Verstärkung Gx -1 skaliert, d. h. mit Go -1, G1 -1 . ., Gn -1. Die Speicherabschnitte 11 werden alle gemeinsam durch das am Ausgang A5 des Quantisierers 5 erscheinende Signal adressiert, derart, dass bei ei nem betrachteten digitalen Ausgangssignalwert an A5 = A5k an allen Speicherabschnitten 11 die zugehörigen Datenwerte adressiert sind, welche, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, im Abschnitt 1 0, infolge der Wahl Go = 1, mit dem Wert A5k am Ausgang A5 gleichwertig, an den übrigen Abschnitten 11 x je mit dem zugeordne ten inversen Verstärkungsfaktor Gx -1 skaliert er scheinen.The gain G on the amplifier unit 3 is, in steps G o . , ., G n , adjustable by the control data in the storage device 9 . Corresponding to the number of possible gains n g = n + 1, a number (n + 1) of memory sections 11 0 , 11 1 . ., 11 n featured. All possible values of the output signal A 5 are pre-stored in all memory sections 11 with 0 ≦ x vor n, as shown at P, but in each section 11 x scaled with the inverse value of the associated gain G x -1 , ie with G o -1 , G 1 -1 . ., G n -1 . The memory sections 11 are all addressed jointly by the signal appearing at the output A 5 of the quantizer 5 , such that, in the case of a digital output signal value under consideration at A 5 = A 5k , the associated data values are addressed to all memory sections 11 , which, without restricting the generality , in section 1 0 , due to the choice G o = 1, with the value A 5k at output A 5 equivalent, in the remaining sections 11 x each with the assigned inverse gain factor G x -1 it seems.
Ausgangsseitig der Abschnitte 11 x stehen somit die Werte A11k = A5k . Gx -1 (0 ≦ x ≦ n) an.On the output side of the sections 11 x thus are the values A = A 11k 5k. G x -1 (0 ≦ x ≦ n).
Diese aufgerufenen Werte A11k, d. h. alle Ausgänge der Abschnitte 11, sind einer Multiplexer-Einheit 15 zu geschaltet. Die Multiplexer-Einheit 15 wird, am Ein gang E15, entsprechend dem Eingang E72 zur Speicher- und Skalierungseinheit 7 gemäss Fig. 1, mit den Ver stärkungssteuerdaten GCW aus der Speichereinrichtung 9 adressiert bzw. angesteuert, so dass bei Vorherr schen momentaner Ausgangssignale A11k und gleichzei tigem Vorherrschen einer momentanen Verstärkung Gk derjenige Ausgang A11k angewählt und durchgeschaltet wird, für den x = k gilt, somit wird A15k = A5k . Gk -1.These called values A 11k , that is to say all the outputs of the sections 11 , are connected to a multiplexer unit 15 . The multiplexer unit 15 is, at the input E 15 , corresponding to the input E 72 to the storage and scaling unit 7 shown in FIG. 1, addressed or controlled with the gain control data GCW from the memory device 9 , so that prevailing instantaneous output signals A 11k and simultaneous prevalence of a momentary gain G k that output A 11k is selected and switched through for which x = k applies, thus A 15k = A 5k . G k -1 .
Wie ersichtlich, ergibt dieses Vorgehen die Möglich keit, ohne aufwendige Multiplikatoren die Verstär kungskompensation vorzunehmen.As can be seen, this approach makes the possible speed, without expensive multipliers compensation compensation.
In Fig. 3a wurde eine mögliche Realisationsvariante der Speicher- und Skalierungseinheit 7 dargestellt, welche insbesondere der Anschaulichkeit dient.A possible implementation variant of the storage and scaling unit 7 was shown in FIG. 3 a , which serves in particular for clarity.
Wie in Fig. 3b dargestellt, wird aber in bevorzugter Art und Weise die Speicher- und Skalierungseinheit 7 als Speichereinheit 7a ausgebildet, worin alle mögli chen Werte des Signals A5, je multipliziert mit allen inversen Verstärkungswerten G-1, abgespeichert sind. Die Adressierung des hinsichtlich Quantisierung A5k wie auch Verstärkung Gk richtigen Wertes erfolgt, wie in Fig. 3b ersichtlich, durch die Adressierung der Speichereinheit 7a mittels einer sowohl aus dem Wert von A5k wie aus dem Wert von Gk gebildeten Adresse, in Analogie zur Darstellung von Fig. 1, an den Adres sierungseingängen E71 vom Ausgang des Quantisierers 5 bzw. E72 vom Ausgang der Speichereinrichtung 9 mit dem Verstärkungssteuerwort GCW. Damit entfällt der in Fig. 3a dargestellte Multiplexer 15.As shown in Fig. 3b, however, the storage and scaling unit 7 is preferably designed as a storage unit 7 a, in which all possible values of the signal A 5 , each multiplied by all inverse gain values G -1 , are stored. The addressing of the correct value with regard to quantization A 5k as well as gain G k takes place, as can be seen in FIG. 3b, by addressing the memory unit 7 a by means of an address formed in both from the value of A 5k and from the value of G k Analogous to the representation of Fig. 1, at the addressing inputs E 71 from the output of the quantizer 5 and E 72 from the output of the memory device 9 with the gain control word GCW. The multiplexer 15 shown in FIG. 3a is thus omitted.
Der Speicheraufwand beim Vorgehen gemäss den Fig. 3b ist insbesondere bei grösseren Zahlen ng von Verstär kungsstufen ΔG wesentlich.The storage effort in the procedure according to FIG. 3b is particularly important for larger numbers n g of amplification stages ΔG.
Betrachtet man einen 5-Stufenquantisierer 5 zuzüglich separater Berücksichtigung des Vorzeichens und mithin eine mögliche Anzahl na von 64 (25 × 2) und bei spielsweise ein Verstärkungssteuerwort in der Spei chereinrichtung 9 von 5 Bit, so wäre bei Vorgehen nach den Fig. 3 ein Speicheraufwand für 64 . 32 = 2048 Werten notwendig.If one considers a 5-stage quantizer 5 plus separate consideration of the sign and therefore a possible number n a of 64 (2 5 × 2) and, for example, a gain control word in the storage device 9 of 5 bits, the procedure according to FIG. 3 would be a memory requirement for 64. 32 = 2048 values required.
Diesbezüglich wird durch das nachfolgend beschriebene Vorgehen ein wesentlicher Vorteil erzielt.In this regard, is described by the below Approach achieved a significant advantage.
Dabei wird davon ausgegangen, dass sich der Wert ei ner binären Zahl, wenn sie, z. B. bezüglich eines Gleitkommas, um eine Stelle verschoben wird, um den Faktor 2, entsprechend näherungsweise 6 dB, ändert. It is assumed that the value ei ner binary number if, e.g. B. regarding one Floating point is shifted by one position by the Factor 2, corresponding to approximately 6 dB, changes.
Davon ausgehend, wird der vorgesehene Dynamikbereich
in eine Anzahl Z 6 dB-Schritte unterteilt. Ohne Be
schränkung der Allgemeinheit sei, wie schon zuvor, G0
= 0 dB gewählt und damit der Dynamikbereich gleich der
maximalen Verstärkung Gmax, also
Based on this, the intended dynamic range is divided into a number of Z 6 dB steps. Without restricting the generality, G 0 = 0 dB should be selected, as before, and thus the dynamic range should be equal to the maximum gain G max
Gmax = Z . 6 dB + R,
G max = Z. 6 dB + R,
wobei R < 6 dB eine Restgrösse bezeichnet. Reicht eine Verstärkungsabstufung in ΔG-Schritten von 6 dB aus, so müssen, rückblickend auf die Fig. 3a, b, nur alle na Werte von A5 vorabgespeichert werden, die Kompensa tion der Verstärkung in den erwähnten 6 dB-Schritten kann durch entsprechendes Schieben der einen momenta nen Wert von A5 anzeigenden Binärzahl um eine der mo mentanen Verstärkung entsprechende Anzahl Stellen er folgen. In diesem Fall müsste sogar gar nichts abge speichert werden, weil Adresse und Inhalt des Spei chers übereinstimmen.where R <6 dB denotes a residual quantity. If a gain gradation in ΔG steps of 6 dB is sufficient, looking back at FIGS . 3a, b, only all n a values of A 5 have to be stored in advance, the compensation of the gain in the mentioned 6 dB steps can be done by corresponding Shift the binary number indicating a current value of A 5 by a number of digits corresponding to the current gain. In this case, nothing would even have to be saved because the address and content of the memory match.
In den allermeisten Fällen genügt eine Abstufung der Verstärkung G entsprechend ΔG-Schritten in 6 dB nicht. Um dieses Problem bei gleichzeitiger Weiterverfolgung des Ziels, den Speicheraufwand zu reduzieren, zu lö sen, werden die 6 dB-Verstärkungsschritte in k1 Ver stärkungsschritte 60 unterteilt, wobei k1 ganzzahlig ist. Entsprechend der Anzahl k1 Unterteilungsschritte der 6 dB-Abstufungen ergibt sich eine grössere oder kleinere Zahl notwendigen Speicherplatzes, indem alle zwischen den 6 dB-Schritten enthaltenen Zwischenabstu fungen der Verstärkungskompensation, je mit allen möglichen na Werten des Signals A5 multipliziert, ab zuspeichern sind. In most cases, a gradation of the gain G corresponding to ΔG steps in 6 dB is not sufficient. In order to solve this problem while at the same time pursuing the goal of reducing the memory expenditure, the 6 dB amplification steps are divided into k 1 amplification steps 60, where k 1 is an integer. Corresponding to the number k 1 subdivision steps of the 6 dB steps, there is a larger or smaller number of necessary storage space by storing all intermediate steps of the gain compensation contained between the 6 dB steps, each multiplied by all possible n a values of the signal A 5 are.
Ist k1 = 2, so müssen 128 Werte vorabgespeichert wer den, die ΔG-Abstufung beträgt 3 dB, bei k1 = 3, 192 die ΔG = 2 dB etc. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sei im weiteren k1 = 4 und mithin der ΔG entsprechen de Skalierungsfaktor 2¼, also ΔG näherungsweise 1,5 dB. Der Speicheraufwand reduziert sich damit auf 4 Datensätze, je entsprechend mit 0 dB, 1,5 dB, 3 dB, 4,5 dB skalierter na Werte von A5 und mithin, gemäss obigem Beispiel, auf die Abspeicherung von 256 Wer ten.If k 1 = 2, 128 values must be stored in advance, the ΔG gradation is 3 dB, for k 1 = 3, 192 the ΔG = 2 dB etc. Without restricting generality, let k 1 = 4 and therefore the ΔG corresponds to the scaling factor 2¼, i.e. ΔG approximately 1.5 dB. The storage effort is thus reduced to 4 data records, each correspondingly scaled with 0 dB, 1.5 dB, 3 dB, 4.5 dB n a values of A 5 and, according to the example above, to storing 256 values.
Die momentane Verstärkung Gk kann somit angeschrieben
werden zu
The current gain G k can thus be written to
Gk = Gk1 + Gk2 = Zk(6 dB) + Lk(1,5 dB)
G k = G k1 + G k2 = Z k (6 dB) + L k (1.5 dB)
mit 0 ≦ Lk ≦ 3.with 0 ≦ L k ≦ 3.
Für die inverse Verstärkung gilt damit
The following applies to inverse amplification
Gk -1 = Gk1 -1 + Gk2 -1 = -Zk(6 dB) -Lk(1,5 dB).G k -1 = G k1 -1 + G k2 -1 = -Z k (6 dB) -L k (1.5 dB).
In Fig. 4 ist das Funktionsblock/Signalfluss-Diagramm dargestellt, wie in bevorzugter Art und Weise die Speicher- und Skalierungseinheit 7 gemäss Fig. 1 rea lisiert wird. FIG. 4 shows the function block / signal flow diagram of how the storage and scaling unit 7 according to FIG. 1 is implemented in a preferred manner.
In einem Speicherblock 7b sind alle möglichen na Aus gangswerte A5, welche am Ausgang des Quantisierers 5 auftreten können, abgespeichert, und zwar je skaliert mit den Werten 1, -ΔG, -2 . ΔG, . . ., -(k1 -1) . ΔG. Bei der bevorzugten Wahl von ΔG zu 1,5 dB, mithin ent sprechend je den na Werten A5; -1,5 dB . A5; -3 dB . A5 und -4,5 dB A5. Bei einem am Ausgang des Quantisie rers A5 auftretenden Momentanwert wird, über den Adressierungseingang E71, dieser Wert und, mit einem ersten Teil des Verstärkungssteuerwortes GCW, über den Adressierungseingang E721, mit einem der momenta nen Verstärkung entsprechenden inversen Wert -Lk(ΔG) skaliert, an den Ausgang A7b ausgegeben.All possible n a output values A 5 , which can occur at the output of the quantizer 5 , are stored in a memory block 7 b, each scaled with the values 1, -ΔG, -2. ΔG,. , ., - (k 1 -1). ΔG. In the preferred choice of ΔG to 1.5 dB, corresponding to the n a values A 5 ; -1.5 dB. A 5 ; -3 dB. A 5 and -4.5 dB A 5 . If an instantaneous value occurs at the output of quantizer A 5 , this value is sent via addressing input E 71 and, with a first part of the gain control word GCW, via addressing input E 721 , with an inverse value -L k ( ΔG) scaled, output to output A 7b .
Bei einem 5 Bit-Verstärkungssteuerwort GCW werden hierzu, wie in angegeben, die zwei LSB von GCW eingesetzt, mit welchen die Lk Werte 0, 1, 2, 3 adressiert werden.In the case of a 5-bit gain control word GCW, the two LSBs from GCW are used for this, as indicated in, with which the L k values 0, 1, 2, 3 are addressed.
Die übrigen Bits des Verstärkungskontrollwortes GCW, beim Beispiel eines derartigen 5 Bit-Wortes die drei MSB, werden einer Schiebereinheit 7c zugeführt, woran die aus dem Speicherblock 7b ausgelesene Zahl, bezüg lich Gleitkomma, um die durch die am Steuereingang E722 angegebene Anzahl Zk Stellen geschoben wird.The remaining bits of the gain control word GCW, in the example of such a 5-bit word the three MSB, are fed to a slide unit 7 c, whereupon the number read out from the memory block 7 b, referring to floating point, by the number indicated by the control input E 722 Z k digits is pushed.
Um dies weiter zu erläutern, ist in Fig. 5 beispiels
weise der maximale Wert des Speicherblockes 7b darge
stellt. Daraus ist vorerst ersichtlich, dass im Spei
cherblock 7b 21 Bit breite Worte abgespeichert sind,
wobei die linken sieben Bit Vorzeichen-Erweiterungs-
Bits sind, das achte Bit ein Vorzeichen-Bit ist, das
neunte bis dreizehnte Bit für Lk = 0 einem Wert am
Ausgang A5 entsprechen, und ebenfalls für Lk = 0 die
Bits 15 bis 21 mit Nullen gefüllt sind. Für Lk = 0
ist ferner das vierzehnte Bit stets auf 1 gesetzt,
was mit der besonderen Quantisierer-Kennlinie zu tun
hat, die in Fig. 6 dargestellt ist. Wie aus Fig. 6
ersichtlich ist, entspricht dieser Quantisierung die
Zuordnung
In order to explain this further, the maximum value of the memory block 7 b is shown in FIG. 5, for example. From this it can be seen for the time being that in the memory block 7 b 21 bit wide words are stored, the left seven bits being sign extension bits, the eighth bit being a sign bit, the ninth to thirteenth bits for L k = 0 one Correspond to the value at output A 5 , and also for L k = 0, bits 15 to 21 are filled with zeros. For L k = 0, the fourteenth bit is also always set to 1, which has to do with the special quantizer characteristic curve, which is shown in FIG. 6. As can be seen from FIG. 6, the assignment corresponds to this quantization
m . Δ ≦ x < (m + 1) . Δ → y = (m + 1/2),
m. Δ ≦ x <(m + 1). Δ → y = (m + 1/2),
worin x das analoge Eingangssignal, d eine feste Quantisierungsstufe und y der in Einheiten dieser Quantisierungsstufe gemessene digitale Wert bedeuten. Damit nimmt m nur ganzzahlige Werte an.where x is the analog input signal, d is a fixed Quantization level and y in units of this Quantization level mean measured digital value. This means that m only takes integer values.
Für Lk ungleich Null gelten die oben beschriebenen Beziehungen selbstverständlich nicht, sondern es sind dann die, wie vorgängig erklärt, skalierten Werte ab gespeichert.Of course, the relationships described above do not apply to L k not equal to zero, but the values scaled as previously explained are then stored.
Mit dem Rahmen A7 ist das mit dem Schieber 7c ausge gebene Wort dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass in Funktion der Steuerung am Eingang E722, bei den beispielsweise noch drei verbleibenden MSB des 5-Bit Verstärkungssteuerwortes GCW, am Ausgang des Schie bers 7b ein Wert ausgegeben wird, welcher in einer von acht Möglichkeiten bezüglich des Gleitkommas GK verschoben ist. Nach unten fortschreitend, ergeben sich um jeweils -Zk . 6 dB abgeschwächte Werte. Am er läuterten Beispiel ergibt sich durch die Schieberein heit 7c eine mögliche Verstärkungskompensation von max. 42 dB (7 . 6 dB).With the frame A 7 , the word given with the slider 7 c is shown. From this it can be seen that in function of the control at input E 722 , for example with the three remaining MSB of the 5-bit gain control word GCW, a value is output at the output of slider 7 b, which is one of eight options with regard to the floating point GK is moved. Progressing downwards, each results in -Z k . 6 dB attenuated values. In the example he explained, the slide unit 7 c results in a possible gain compensation of max. 42 dB (7.6 dB).
Bei der Schiebereinheit 7c handelt es sich vorzugs weise um ein Schieberegister 8, wie es in Fig. 7 dar gestellt ist, welches zwischen 14 und 21 mal getaktet wird für den Fall, dass, wie in bevorzugter Weise, ein serielles Laden des Registers vorgesehen ist. The slider unit 7 c is preferably a shift register 8 , as shown in FIG. 7, which is clocked between 14 and 21 times in the event that, as in a preferred manner, a serial loading of the register is provided is.
Ist Zk = 0, so werden von dem 21 Bit-Wort im Speicher 7b durch 14 Takte, die 14 rechten Bit in das Schiebe register 8 eingetaktet. Am Ausgang A7 erscheinen die 14 Bit entsprechend der A7-Rahmenposition in Fig. 5 für Zk = 0.If Z k = 0, 14 bits of the 21 right word in memory 7 b are clocked into the shift register 8 by the 14 right bits. At output A 7 , the 14 bits corresponding to the A 7 frame position in FIG. 5 appear for Z k = 0.
Ist Zk = 1, werden von dem 21 Bit-Wort im Speicher 7b durch 15 Takte, die rechten 15 Bit in das Schieberegi ster 8 eingetaktet, das rechtsäusserste Bit des 21 Bit-Wortes geht bei 8a verloren. Am Ausgang A7 er scheint das 14 Bit-Wort entsprechend der A7-Rahmenpo sition in Fig. 5 für Zk = 1 etc.If Z k = 1, from the 21 bit word in memory 7 b by 15 clocks, the right 15 bits are clocked into the shift register 8, the rightmost bit of the 21 bit word is lost at 8a. At output A 7 , the 14-bit word appears corresponding to the A 7 frame position in FIG. 5 for Z k = 1 etc.
In jedem Fall werden aus dem 21 Bit-Wort nach dem 14. Takt, also ab 15. Takt, nur noch Vorzeichen-Erweite rungs-Bits ausgelesen. Nach dem 14. Takt ist das Vor zeichen-Bit aber bereits im MSB-Speicher des Schiebe registers. Somit wird bevorzugterweise der Inhalt der MSB-Stufe ab dem 15. Takt, wie in Fig. 4c darge stellt, nicht mehr verändert, sondern lediglich noch den folgenden Stufen des Schieberegisters zugeführt. Damit können aber auch die 7 Vorzeichen-Erweiterungs- Bits VE im Speicher 7b entfallen, er wird um 1/3 kleiner.In any case, only sign extension bits are read out of the 21-bit word after the 14th bar, that is from the 15th bar. After the 14th cycle, the sign bit is already in the MSB memory of the shift register. Thus, the content of the MSB stage is preferably no longer changed from the 15th cycle, as shown in FIG. 4c, but is only fed to the following stages of the shift register. But that can also use the sign-extension bits 7 VE b dispensed in the memory 7, it becomes smaller by 1/3.
Am dargestellten Beispiel mit einem 5 Bit + Vorzei chen-Bit-Quantisierer und einem 5 Bit-Verstärkungs steuerwort GCW wird mithin, mit den zwei LSB von GCW und dem Ausgangswert des Quantisierers als Adresse, im Speicherblock 7b, der entsprechend mit -LkΔG ska lierte A5-Wert angewählt, und es wird, mittels der Schiebereinheit 7c, dieser angewählte Wert, in Funk tion der verbleibenden drei MSB aus dem GCW, mit -Zk . 6 dB weiter skaliert.In the example shown with a 5 bit + sign-bit quantizer and a 5 bit gain control word GCW is therefore, with the two LSB of GCW and the output value of the quantizer as an address, in the memory block 7 b, correspondingly with -L k ΔG scaled A 5 value is selected, and it is, by means of the slide unit 7 c, this selected value, in function of the remaining three MSB from the GCW, with -Z k . 6 dB further scaled.
Die beschriebene Analog-Digital-Verarbeitungseinheit eignet sich insbesondere für die Verarbeitung von Au diosignalen, insbesondere von Sprachsignalen. Hierzu werden in noch zu beschreibender Art und Weise der bereits beschriebenen Anordnung Filter vor- und nach geschaltet, wobei das nachgeschaltete Digitalfilter, bzw. das gewählte Vorgehen zur digitalen Filterung, für sich betrachtet und für weitere Anwendungsfälle einsetzbar ist.The described analog-digital processing unit is particularly suitable for processing Au diosignals, in particular speech signals. For this will be described in a manner to be described already described arrangement filter before and after switched, the downstream digital filter, or the chosen procedure for digital filtering, considered individually and for other applications can be used.
In Fig. 8 ist der prinzipielle Aufbau eines Digitalfilters dargestellt. Bei dessen Er läuterung wird auf die Berechnungstheorie digitaler Filter nicht eingegangen, worüber, wie dem Fachmann geläufig, ein weites Schrifttum besteht.In FIG. 8, the basic configuration is illustrated a digital filter. When it is explained, the calculation theory of digital filters is not dealt with, about which, as is known to the person skilled in the art, there is a large body of literature.
Das digitale, zu filternde Signal wird, wie bei 20 dargestellt, einer gestrichelt umrandeten Speicher einheit 21 zugeführt. Bei einer je nach gewähltem Filter bestimmten Anzahl Filterkoeffizienten bk ist in der Speichereinheit 21 eine entsprechende Anzahl Speicherabschnitte M0 bis Mk vorgesehen. In jedem der Speicherabschnitte M0 bis Mk sind alle möglichen Wer te des zugeführten, digitalen Signals 20, wie bei P dargestellt, vorabgespeichert bzw. vorbestimmt. Diese Werte sind skaliert im Abschnitt M0 mit dem Filterko effizienten b0, im Abschnitt M1 mit dem Filterkoeffi zienten b1 etc.The digital signal to be filtered is, as shown at 20, a memory unit 21 outlined with dashed lines. With a number of filter coefficients b k determined depending on the selected filter, a corresponding number of memory sections M 0 to M k are provided in the memory unit 21 . In each of the memory sections M 0 to M k , all possible values of the supplied digital signal 20 , as shown at P, are pre-stored or predetermined. These values are scaled in section M 0 with the filter coefficient b 0 , in section M 1 with the filter coefficient b 1 etc.
Die Ausgänge der Speicherabschnitte M0 bis Mk sind einer Zeitverzögerungseinheit 23 zugeführt, worin, bezogen auf die Taktperiode Ta eines Taktgenerators 24, welcher die digitale Verarbeitung taktet, der Ausgang des Abschnittes M0, um eine Anzahl k Taktin tervalle zeitverzögert, an den Ausgang A230 gegeben wird.The outputs of the memory sections M 0 to M k are supplied to a time delay unit 23 , in which, based on the clock period T a of a clock generator 24 which clocks the digital processing, the output of the section M 0 is delayed by a number k clock intervals to the Output A 230 is given.
Entsprechend werden die Ausgänge des Abschnittes M1 bis Mk, wie angegeben zeitverzögert, ausgegeben. Die Ausgänge der Verzögerungseinheit 23 sind alle auf ei nen Addierer 25 geführt.Correspondingly, the outputs of the section M 1 to M k , as indicated with a time delay, are output. The outputs of the delay unit 23 are all performed on egg nen adder 25 .
Mit den digitalen Eingangsdaten 20 werden an den Speicherabschnitten M die dem jeweiligen Wert der Eingangsdaten 20 entsprechenden, mit den zugehörenden Filterkoeffizienten skalierten, vorabgespeicherten Werte abgerufen und über die Zeitverzögerungseinheit 23 der Additionseinheit 25 zugespiesen. Auf diese Art und Weise wird ein linearphasiges Transversalfilter realisiert, welches keine aufwendigen Multiplikatoren verwendet.With the digital input data 20 , the pre-stored values corresponding to the respective value of the input data 20 , scaled with the associated filter coefficients, are retrieved from the memory sections M and fed to the addition unit 25 via the time delay unit 23 . In this way, a linear-phase transversal filter is implemented, which does not use complex multipliers.
Ein solches Filter eignet sich ausgezeichnet in Kom bination mit der vorbeschriebenen Analog-Digital-Ver arbeitungseinheit, was bereits daraus ohne weiteres ersichtlich ist, dass, sowohl ausgangsseitig der er wähnten Analog-Digital-Verarbeitungseinheit wie auch eingangsseitig des anhand von Fig. 8 erläuterten, er findungsgemässen Filters, teilweise vorabgespeicherte Werte entsprechend den möglichen Werten des zu behan delnden Digitalsignals eingesetzt werden.Such a filter is excellently suitable in combination with the above-described analog-digital processing unit, which is already readily apparent from the fact that, both on the output side of the mentioned analog-digital processing unit and on the input side of the one explained with reference to FIG. 8, he inventive filter, partially pre-stored values are used according to the possible values of the digital signal to be treated.
In Fig. 9 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ei ner Analog-Digital-Verarbeitungseinheit für Sprachsignale dargestellt, welches sich aus einer Kombination der anhand der Fig. 1 bis 7 dargestellten Einheit und des prinzi piell anhand von Fig. 8 erläuterten Digitalfilters mit weiteren zusätzlichen Aggregaten ergibt.In Fig. 9, a preferred embodiment egg ner analog-digital processing unit for voice signals is shown, which results from a combination of the unit shown in FIGS . 1 to 7 and the digital filter explained in principle with reference to FIG. 8 with further additional units .
Das Audiosignal, insbesondere Sprachsignal, wird über ein Mikrofon 30 einem Hochpassfilter 32 erster Ord nung, mit einer Grenzfrequenz von ungefähr 1 kHz, zu geführt. Durch dieses Filter wird das Spektrum des Sprachsignals, welches im Mittel eine Ueberhöhung im Bereiche von 500 Hz aufweist, abgeflacht, womit das Signal-zu-Quantisierungsrausch-Verhältnis über die ganze Bandbreite ausgeglichener wird. Eine Kompensa tion der dadurch erfolgten Klangveränderung ist in einer der Analog-Digital-Verarbeitungseinheit folgen den digitalen Signalverarbeitung auf einfache Art und Weise möglich.The audio signal, in particular the voice signal, is fed via a microphone 30 to a high-pass filter 32 of the first order, with a cut-off frequency of approximately 1 kHz. This filter flattens the spectrum of the speech signal, which on average has an increase in the range of 500 Hz, so that the signal-to-quantization-to-noise ratio is more even over the entire bandwidth. The resulting change in sound can be compensated for in a simple manner in an analog-digital processing unit that follows the digital signal processing.
Es ist eingangsseitig der Analog-Digital-Verarbei tungseinheit kein Anti-Aliasing-Filter vorgesehen.It is the analog-digital processing on the input side no anti-aliasing filter provided.
Ausgangsseitig des Hochpassfilters 32 wird das Ana logsignal dem Verstärker 33 zugeführt, welcher, in Analogie zum vorbeschriebenen Verstärker 3, eine in 1,5 dB-Stufen verstellbare Verstärkung G aufweist. Das verstärkte Analogsignal wird dem zum vorbeschriebenen Quantisierer 5 analogen Quantisierer 35 zugeführt, darin, über eine Gleichrichtereinheit 34, einem 5 Bit- Quantisierer 36 und, in Parallelstruktur, einer Vor zeichen-Detektoreinheit 37. Abgesehen von der aus gangsseitig der Einheit 37 auftretenden Vorzeichen- Information VZ wird, in Analogie zum vorbeschriebenen Ausgang A5, der Ausgang A36 des 5 Bit-Quantisierers 36 über die Verstärkungsänderungs-Tabelle 40, in Analo gie zur vorbeschriebenen 10a, über eine hier nicht dargestellte Speichereinrichtung, analog zu 9, wie vorbeschrieben, auf den Verstärker 33 rückgeführt.On the output side of the high-pass filter 32 , the analog signal is fed to the amplifier 33 , which, in analogy to the amplifier 3 described above, has a gain G which can be adjusted in 1.5 dB steps. The amplified analog signal is fed to the above-described quantizer 5 analog quantizer 35 , therein, via a rectifier unit 34 , a 5-bit quantizer 36 and, in parallel structure, a sign detector unit 37 . Apart from the sign information VZ occurring on the output side of the unit 37 , in analogy to the above-described output A 5 , the output A 36 of the 5-bit quantizer 36 via the gain change table 40 , in analogy to the above-described 10 a, via a Memory device not shown here, analogous to FIG. 9 , as described above, fed back to the amplifier 33 .
Die Verstärkungssteuerdaten GCW, die Vorzeichen-In formation VZ und der Ausgang A36 des Quantisierers 36 werden einer Speicher- und Skalierungseinheit 42 zu geführt. Diese ist in vier gleich aufgebaute Spei cher- und Skalierungsabschnitte M0, M1, M3, M5 unter teilt. Der Abschnitt M0 der Speicher- und Skalie rungseinheit 42 ist, wie in Fig. 4 bei 7 dargestellt und im Zusammenhang mit den Fig. 5 bis 7 erläutert, aufgebaut und ist entsprechend den Erläuterungen zu Fig. 5, in 2-1/4-Inkrementen, darüber hinaus jedoch noch zusätzlich mit einem Filterkoeffizienten b0 ska liert.The gain control data GCW, the sign information VZ and the output A 36 of the quantizer 36 are fed to a storage and scaling unit 42 . This is divided into four identically constructed storage and scaling sections M 0 , M 1 , M 3 , M 5 . The section M 0 of the storage and scaling unit 42 is, as shown in FIG. 4 at 7 and explained in connection with FIGS. 5 to 7, constructed and is in accordance with the explanations of FIG. 5, in 2 -1/4 -Increments, however, additionally scaled with a filter coefficient b 0 .
Der Abschnitt M1 ist ebenfalls aufgebaut wie in Fig. 4 unter 7 dargestellt. Die im Abschnitt M1 vorabge speicherten Datensätze sind jedoch nicht wie jene in M0 mit b0, sondern mit einem Filterkoeffizienten b1 skaliert. Entsprechendes gilt für M3 und M5.Section M 1 is also constructed as shown in FIG. 4 under 7. However, the data records previously stored in section M 1 are not scaled like those in M 0 with b 0 , but with a filter coefficient b 1 . The same applies to M 3 and M 5 .
Ausgangsseitig der Speicher- und Skalierungseinheit 42 erscheinen, jeweils jedem der Abschnitte M0, M1, M3, M5 zugeordnet, Digitalsignale, welche folgendem entsprechen:On the output side of the storage and scaling unit 42 , assigned to each of the sections M 0 , M 1 , M 3 , M 5 , digital signals appear which correspond to the following:
Aus M0: Dem Momentanwert am Ausgang A36, gesteuert durch die Verstärkungssteuerdaten GCW - entsprechend der inversen momentanen Verstärkung am Verstärker 33 -, und zusätzlich mit b0 skaliert.From M 0 : the instantaneous value at output A 36 , controlled by the gain control data GCW - corresponding to the inverse instantaneous gain at amplifier 33 - and additionally scaled with b 0 .
Aus M1: Wie bei M0, aber zusätzlich mit b1 anstelle von b0 skaliert.From M 1 : As for M 0 , but additionally scaled with b 1 instead of b 0 .
Sinngemässes gilt für M3 und M5.The same applies to M 3 and M 5 .
Die Verstärkung G am Verstärker 33 ist zwischen 0 und 46,5 dB in Schritten von 1,5 dB verstellbar, abgestimmt auf die 2-1/4-Skalierungen in M0 und damit M1 bis M5.The gain G on the amplifier 33 can be adjusted between 0 and 46.5 dB in steps of 1.5 dB, matched to the 2 -1/4 scales in M 0 and thus M 1 to M 5 .
Die diesen Abschnitten zugeordneten Schiebereinhei ten, gemäss 7c von Fig. 4, weiter Fig. 7, erzeugen 14 Bit-Worte. Anwahl der Skalierung und das Auslesen an den Schiebereinheiten 7b wird gesteuert durch das Verstärkungssteuerwort GCW.The slide units assigned to these sections, according to 7c of FIG. 4, further FIG. 7, generate 14 bit words. Selection of the scaling and the reading on the slide units 7 b is controlled by the gain control word GCW.
Um ohne analoges Anti-Aliasing-Filter auszukommen, wird an der Analog-Digital-Verarbeitungseinheit eine Abtastrate von vorzugsweise 32 kHz eingesetzt und aus gangsseitig der Speicher- und Skalierungseinheit 42 ein Tiefpass-Digitalfilter, prinzipiell aufgebaut ge mäss Fig. 8, vorgesehen. Dieses Filter ist so ausge legt, dass Signalkomponenten oberhalb 8 kHz genügend gedämpft werden, damit die Abtastrate, ohne störende Aliasing-Komponenten zu erzeugen, auf 16 kHz reduziert werden kann. Ferner ist das Filter auch so ausgelegt, dass die Filterkoeffizienten bk für alle geradzahli gen k ungleich Null verschwinden. Damit wird der Rea lisationsaufwand wesentlich gesenkt. Es werden ledig lich vier Filterkoeffizienten verwendet, nämlich für k = 0, ±1, ±3 und ±5. Wie erwähnt wurde, sind, entsprechend, die Datenwerte in den Abschnitten M0, M1, M3, M5 mit den zugeordneten, eben erwähnten Fil terkoeffizienten skaliert bzw. multipliziert gespei chert.In order to get by without an analog anti-aliasing filter, a sampling rate of preferably 32 kHz is used on the analog-digital processing unit, and a low-pass digital filter, basically constructed according to FIG. 8, is provided on the output side of the storage and scaling unit 42 . This filter is designed in such a way that signal components above 8 kHz are sufficiently attenuated so that the sampling rate can be reduced to 16 kHz without generating disturbing aliasing components. Furthermore, the filter is also designed in such a way that the filter coefficients b k for all even numbers k nonzero disappear. This significantly reduces the implementation effort. Only four filter coefficients are used, namely for k = 0, ± 1, ± 3 and ± 5. As has been mentioned, the data values in the sections M 0 , M 1 , M 3 , M 5 are stored scaled or multiplied by the associated filter coefficients just mentioned.
Bei der erwähnten Abtastrate von vorzugsweise 32 kHz werden die Signalkomponenten der Schallquelle ober halb von 16 kHz, wie dem Fachmann vertraut, auf den Frequenzbereich 0 . . . 16 kHz heruntergefaltet (Alia sing-Effekt). Das digitale Tiefpassfilter dämpft die Signalkomponenten der Schallquelle im Frequenzbereich 8 . . . 16 kHz, wie auch jene, welche aus dem Frequenz bereich 16 . . . 24 kHz in den Bereich 8 . . . 16 kHz ge faltet wurden. Für Eingangssignale mit nur verschwin denden Signalkomponenten oberhalb 24 kHz, also für elektrisch gewandelte akustische Signale, wird somit der Aliasing-Effekt durch Ueberabtastung (f1 = 32 kHz) und anschliessende digitale Tiefpassfilterung ein schliesslich Reduktion der Abtastrate vermieden.At the mentioned sampling rate of preferably 32 kHz, the signal components of the sound source above 16 kHz are, as is familiar to the person skilled in the art, to the frequency range 0. , , 16 kHz folded down (alia sing effect). The digital low-pass filter dampens the signal components of the sound source in frequency range 8. , , 16 kHz, as well as those from the frequency range 16. , , 24 kHz in the range 8. , , 16 kHz were folded. For input signals with only vanishing signal components above 24 kHz, i.e. for electrically converted acoustic signals, the aliasing effect by oversampling (f 1 = 32 kHz) and subsequent digital low-pass filtering, a reduction in the sampling rate is finally avoided.
Das Digitalfilter kann mit der reduzierten Abtastrate von 16 kHz betrieben werden. Die Anordnung der Zeit verzögerungsglieder 44, ausgelegt entsprechend der halben, verwendeten Taktfrequenz 1/2 f1, ergibt sich ohne weiteres aus Fig. 6 mit pro Abschnitt M entspre chender Signalaufteilung je für b+k und b-k. Die ver zögerten Signale F0 bis F5, je für b±k und je aus ei nem der Abschnitte M0 bis M5 werden, wie anlässlich von Fig. 5 erläutert wurde, einer Additionseinheit 45 zugeführt, an deren Ausgang A45 pro Takt ein Digital wert erscheint als Ausgangswert der erfindungsgemäs sen Analog-Digital-Verarbeitungseinheit mit eingebau ter Anti-Aliasing-Verarbeitung.The digital filter can be operated at the reduced sampling rate of 16 kHz. The arrangement of the time delay elements 44 , designed according to half the clock frequency 1/2 f 1 used , is readily apparent from FIG. 6 with a corresponding signal division for each section M for b + k and b- k . The delayed signals F 0 to F 5 , each for b ± k and each from one of the sections M 0 to M 5 , as explained on the occasion of FIG. 5, are fed to an addition unit 45 , at whose output A 45 per cycle a digital value appears as the output value of the analog-digital processing unit according to the invention with built-in anti-aliasing processing.
Claims (20)
- - das analoge Signal (1) gesteuert verstärkt (3) wird,
- - das verstärkte Analogsignal mit einer vorgegebenen An zahl Quantisierungsstufen digitalisiert (5) wird,
- - mit den digitalisierten Analogsignalen die Verstärkung (G) des Analogsignals (1) so gestellt wird, daß der zeitliche Mittelwert des Betrages des digitalisierten Analogsignals (A5) auf einen SOLL-Wert geregelt wird,
- - alle entsprechend der Anzahl von Quantisierungsstufen möglichen Werte des digitalisierten Analogsignals (A5) vorabgespeichert (7) werden, und
- - mit dem jeweiligen digitalisierten Analogsignal (A5) und der jeweils vorherrschenden Verstärkung (G) das dem digitalisierten Analogsignal (A5) entsprechende, vorabgespeicherte (7) Signal, verstärkt mit der der vorherrschenden Verstärkung (G) inversen Verstärkung (G-1), abgerufen wird.
- - The analog signal ( 1 ) is amplified ( 3 ) in a controlled manner,
- - The amplified analog signal is digitized ( 5 ) with a predetermined number of quantization stages,
- - With the digitized analog signals, the gain (G) of the analog signal ( 1 ) is set so that the time average of the amount of the digitized analog signal (A 5 ) is regulated to a target value,
- - All values of the digitized analog signal (A 5 ) which are possible in accordance with the number of quantization stages are pre-stored ( 7 ), and
- - With the respective digitized analog signal (A 5 ) and the prevailing gain (G), the pre-stored ( 7 ) signal corresponding to the digitized analog signal (A 5 ), amplified with the gain (G -1 ) inverse to the prevailing gain (G) , is retrieved.
- - einer Verstärkereinheit (3), der ein Analogsignal (1) zugeführt ist und deren Verstärkung (G) in Stufen (G0-Gn, AG) verstellbar ist,
- - der Verstärkereinheit (3) nachgeschaltet, einem Ana log-Digital-Quantisierer (5),
- - dem Analog-Digital-Quantisierer (5) nachgeschaltet, einer Speicher- und Skalierungseinheit (7),
- - der Ausgang des Quantisierers (A5) über eine Ver gleichseinheit (10) in regelndem Sinne auf einen Ver stärkungssteuereingang (9) an der Verstärkereinheit (3) rückgeführt ist und
- - der Ausgang des Quantisierers (5) und der Ausgang der Vergleichseinheit (10) auf Ausgabesteuereingänge (E71, E72) an der Speicher- und Skalierungsheinheit (7) wir ken.
- - an amplifier unit ( 3 ), to which an analog signal ( 1 ) is fed and whose gain (G) can be adjusted in steps (G 0 -G n , AG),
- - Downstream of the amplifier unit ( 3 ), an ana log digital quantizer ( 5 ),
- - Downstream of the analog-digital quantizer ( 5 ), a storage and scaling unit ( 7 ),
- - The output of the quantizer (A 5 ) is fed back via a comparison unit ( 10 ) in a regulating sense to a gain control input ( 9 ) on the amplifier unit ( 3 ) and
- - The output of the quantizer ( 5 ) and the output of the comparison unit ( 10 ) on output control inputs (E 71 , E 72 ) on the storage and scaling unit ( 7 ) we effect.
daß die Speicher- und Skalierungseinheit (7) eine Spei chereinrichtung (7b) sowie eine schieberegisterartig ar beitende, der Speichereinrichtung (7b) nachgeschaltete Einheit (7c) umfaßt
und daß der Ausgang des Quantisierers (5) auf Adreßein gänge (E71) an der Speichereinrichtung (7b) und zumindest ein Teil des Ausganges der Vergleichseinheit (10a) auf Steuereingänge (E722) an der schieberegisterartig arbei tenden Einheit (7c) geführt sind und dabei vorzugsweise ein weiterer Teil des Ausganges der Vergleichseinheit (10a) auch auf Adressierungseingänge (E721) an der Spei chereinrichtung (7b) geführt ist.11. Processing unit according to claim 8 or 9, characterized in that
that the storage and conversion unit (7) chereinrichtung a SpeI (7 b) and a shift register-like ar beitende, the memory means (7 b) downstream unit (7 c) comprises
and that the output of the quantizer ( 5 ) on address inputs (E 71 ) on the memory device ( 7 b) and at least part of the output of the comparison unit ( 10 a) on control inputs (E 722 ) on the shift register-like unit ( 7 c ) are guided and preferably another part of the output of the comparison unit ( 10 a) is also routed to addressing inputs (E 721 ) on the storage device ( 7 b).
daß die Einrichtung (7c) ein Schieberegister (8) umfaßt, das vorzugsweise seriell aus der Speichereinrichtung (7b) geladen wird,
und daß die eingangsseitige Registerstufe (MSB) ausgangs seitig, ab einer vorgegebenen Anzahl Einlesezyklen, auf ihren Eingang schaltbar ist. 12. Processing unit according to claim 11, characterized in that
that the device ( 7 c) comprises a shift register ( 8 ), which is preferably loaded serially from the memory device ( 7 b),
and that the input-side register stage (MSB) can be switched to its input on the output side from a predetermined number of read-in cycles.
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